Rogowského cívka

Rogowského cívka je toroidní vzduch jádro cívky , což znamená, že nemá feromagnetické jádro. Mimo jiné slouží jako součást elektrických měřicích zařízení pro měření střídavého proudu .

Základní myšlenka její struktury, která využívá napětí indukovaná střídavými proudy v koncentricky obklopujících cívkách, pochází od Arthura Prince Chattocka z roku 1887. Název je známý od publikace Waltera Rogowského (1881–1947) jako „Rogowského cívka“ nebo "Rogowského proudový transformátor".

Všeobecné

Struktura Rogowského cívky s vodičem nesoucím proud

Rogowského cívka se skládá z vodičového drátu, který je co nejrovnoměrněji navinut kolem pevného tělesa vyrobeného z nevodivého a neferomagnetického materiálu (cívka vzduchového jádra). Vodičový vodič cívky je omotán kolem celého prstence těla cívky tak, aby obě spojení byla vedle sebe. Na opačném obrázku byla cívka realizována jako otevřený kruhový oblouk, aby se zabránilo závitům měřené čáry. Druhé připojení cívky je magneticky neutrální vůči druhému konci.

Za účelem měření proudu i ₁ ve vodiči je Rogowského cívka umístěna kolem vodiče , který vede proud - například kabelové jádro nebo přípojnici . Střídavý proud protékající vodičem vytváří proměnné magnetické pole, které indukuje napětí u ₂ v Rogowského cívce .

Napětí se měří s vysokým odporem, takže proud v Rogowského cívce je téměř nulový. Za této podmínky platí následující vztah:

${\ displaystyle u_ {2} = M \ cdot {\ frac {\ mathrm {d} i_ {1}} {\ mathrm {d} t}} = M \ cdot i_ {1} ^ {\ prime} (t) }$

Vzájemná indukčnost M z Rogowského cívky lze vypočítat takto:

${\ displaystyle M = {\ frac {\ mu _ {0} \ cdot N \ cdot A} {l _ {\ mathrm {m}}}}}$ 

kde μ ₀ magnetické pole konstantní , N je počet závitů, A je plocha Rogowského cívky průřezu a l _{m je} střední délka pole čára v kruhu.

Protože _{se má} měřit proud i1 vodiče, musí se vytvořit časový integrál napětí u ₂ cívky. Tím se získá množství úměrné proudu i ₁ . Časový integrál je vytvořen analogickým způsobem s integrátorem . V případě sinusových proudů lze integraci vynechat - měřené napětí lze kalibrovat v proudových jednotkách, protože vede pouze o 90 ° fázový úhel.

Výhody a nevýhody

Jednou z výhod Rogowského cívky oproti jiným metodám měření proudu je na jedné straně robustnost struktury. Na druhé straně může být měřený proud v širokém rozsahu, a to až do úrovně nejvyššího možného proudu (zkratový proud), aniž by došlo k poškození vysílače. Neexistují žádné nelineární vlivy železného jádra. U Rogowských cívek není na vodič žádný magnetický vliv; Je však nízká iu konvenčních proudových transformátorů se železným jádrem, protože jsou provozovány v sekundárním kvazikratu.

Rogowského cívky lze jednoduše nasadit a odstranit, aniž byste museli otevírat obvod, tj. Bez jakýchkoli montážních prací. Jsou vyráběny v mnoha různých velikostech, takže je možná široká škála aplikací, od měření přímo na součástkách na deskách plošných spojů po měření na přípojnicích nebo strojních částech (nosné proudy).

Rogowského cívky se vyrábějí s různou citlivostí na proudy od několika zesilovačů do několika 100  kA . V závislosti na sérii a citlivosti jsou vhodné pro měření od 1  Hertzu (Hz) do dvouciferného rozsahu MHz. Lze snadno zaznamenat prudký nárůst proudu, jako je ten, ke kterému dochází v měničích nebo jiných výkonových elektronických sestavách. Rogowského cívky jsou také vhodné pro měření harmonických a jiných vysokofrekvenčních interferencí.

Kromě sérií s výstupem stejnosměrného napětí existují také verze s převodníky pro měření efektivní hodnoty . To znamená, že je lze připojit například přímo na vstupy 0–5 V nebo 4–20 mA programovatelného logického automatu .

Na rozdíl od proudových transformátorů vysoké zkratové proudy, jaké se vyskytují v elektroenergetice , nezpůsobují s Rogowského cívkami vysoké síly a ztráty. Hysterezní efekty a permanentní magnetizace, jak se vyskytují u Hallových sond , jsou eliminovány. Na rozdíl od proudových transformátorů Rogowského cívky nepředstavují riziko pro obsluhu a nejsou zničeny, pokud nejsou připojeny.

K měření proudu však potřebujete pomocná zařízení, jako je zesilovač a napájecí zdroj zesilovače. Konvenční transformátory proudu, na druhé straně, díky jádru, které svazuje magnetické pole (v rozsahu jejich jmenovité zátěže ), mohou dodávat značný výkon, který je dostatečný k přímému provozu měřicích mechanismů a nadproudových spouštěcích zařízení.

Další nevýhodou je polohová závislost přesnosti měření. Pro ideál, d. H. homogenní cívka, je poloha uzavřeného vodiče irelevantní. Ve skutečných Rogowských cívkách však existují nehomogenity (otvor pro závitování, různá vzdálenost mezi vinutími), kde magnetické pole indukuje příliš mnoho nebo příliš málo proudu. Pokud je vodič ve střední poloze, chyby se navzájem ruší ideálním tvarem prstence cívky, ale odchylky od středu vedou k chybám. Pokud je vodič během měření blízko otvoru, měřený proud je nižší než skutečná hodnota. Pokud je vodič v oblasti s větší hustotou vinutí, je měřený proud větší než skutečná hodnota.

Na rozdíl od některých alternativních měřicích metod nemůže Rogowského cívka měřit stejnosměrný proud.

Ve studii na univerzitě v Twente týkající se inteligentních elektroměrů („inteligentní měřiče“) byly zjištěny nadměrné výsledky měření u zařízení s Rogowského cívkou jako měřicím prvkem. Ve studii jsou nesprávná měření uváděna ve spojení se spotřebiteli s nesinusovou proudovou křivkou. Takovými spotřebiteli jsou například mnoho elektronických zařízení se spínaným napájením .

literatura

• Dieter Kind, Kurt Feser: Testovací technologie vysokého napětí . 5. revidováno. a exp. Edice. Vieweg + Teubner, 1995, ISBN 3-528-43805-3 . 

webové odkazy

Individuální důkazy

1. ↑ W. Rogowski, W. Steinhaus: Měření magnetického napětí . In: Archivy pro elektrotechniku . páska 1 , č. 4. dubna 1912, s. 141-150 , doi : 10,1007 / BF01656479 . 
2. ↑ Jens Haun: Měření vodivosti na silně vázaných uhlíkových a zinkových plazmech . 2001 ( PDF - Disertační práce, Fakulta fyziky a astronomie, Ruhr University Bochum. - Obsahuje odvozeninu vzorce). 
3. ↑ Falešné hodnoty elektronických měřičů energie téměř šestkrát vyšší než skutečná spotřeba energie. University of Twente, zpřístupněno 6. března 2017 .